大修井管柱力學分析軟件的研制及應用

胡永雄，平恩順，孫立波，單茂青，楊秋梅，李 博，劉澤宇，曹 寧，辛雙港，鄒春鳳

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術服務分公司，天津 300283）

近年來計算機技術迅猛發展，軟件行業蓬勃崛起，直接推動了油田的信息化建設。信息化軟件在油田的應用，不僅能夠解決生產實際問題，還使油田的生產與管理變得更加科學與高效[1]。

目前大修作業施工完全是按照現場技術人員的經驗為依據的，存在著較大的盲目性和不規范性，而經驗豐富的修井專家又相對不足，技術人員大修水平的提高更多是從現場經驗中反復摸索而來的。燕山大學趙文彬等[2]研制了一套大修井管柱力學分析軟件，主要對修井過程中拉力-扭矩進行力學分析，考慮的三維管柱綜合受力及變形尚不完善。筆者研制的修井管柱力學軟件綜合考慮了管柱受力的影響，采用非線性有限元理論來分析管柱的受力及變形，更加真實地模擬管柱在各工況下的受力情況，指導和輔助技術人員科學地完成修井作業，不僅能夠提高修井作業的成功率，縮短修井作業時間，降低修井作業成本，而且還可以進一步提升我國修井作業技術水平。

1 軟件內部運行機制

大修井管柱力學分析軟件采用C#語言進行編制，用戶在軟件界面輸入需要計算的參數，并在SQL數據庫中進行數據傳遞，軟件根據計算參數以及選擇的工況編寫管柱力學分析命令流程序，后臺調用ANSYS軟件將命令流程序輸入并進行分析計算，然后將計算結果進行數據處理并呈現在軟件界面上。該軟件運行機制可使復雜的力學分析過程在后臺中運行，便于用戶對軟件的操作。

2 軟件總體框架結構

大修井管柱力學分析軟件是一款旨在服務現場，指導修井作業的軟件。該軟件采用模塊化設計，主要包括三維井眼軌跡模塊，有限元分析模塊和數據庫管理模塊，軟件總體框架結構（見圖1）。

三維井眼軌跡模塊主要利用鉆井數據，測斜數據及錄井數據（井深、井斜、方位角、垂深等），結合井眼數據處理技術[3]，建立三維“數學井筒”；然后使用GDI+圖像后處理，建立三維井筒圖像。

圖1 軟件總體框架結構

有限元分析模塊主要是對管柱力學進行有限元分析計算，模擬管柱作業時的受力狀態，為現場技術人員提供理論依據。同時計算結果可以保存到數據庫當中，技術人員制定修井方案時可以同時借鑒理論分析的計算結果以及案例庫中以往成功的典型案例，更加科學地制定修井施工方案。

數據庫管理模塊主要包括修井案例庫，標準庫和材料庫等。修井技術人員主要通過借鑒修井案例庫中故障相似的案例進行修井計劃的制定，標準庫和材料庫中的資料可以輔助修井。

2.1 軟件結構功能

2.1.1 三維井眼軌跡模塊 該模塊通過對井斜角、方位角等測斜數據進行插值計算，實現井眼軌跡的三維擬合，通過C#的圖形界面將井眼軌跡顯示出來，可為后續的有限元分析建立管柱力學的幾何模型。

軟件讀取測斜數據后，數據查看區域會顯示具體的數據值，然后依次點擊“插值運算”和“繪制圖形”按鈕進行運算和繪圖。通過數據查看區域的“測點坐標”可以看到計算得到的測點坐標，右側信息查詢區域可以查看任意井深點處的信息。圖形查看區域可以觀看不同視角下的井眼軌跡曲線。

2.1.2 有限元分析模塊 有限元分析模塊是用C#語言編寫的管柱力學分析的控制界面。通過人機界面交互，根據用戶設置的參數自動編寫管柱力學分析命令流程序，在后臺啟用一個線程調用ANSYS程序，將預先編寫的命令流程序輸入ANSYS中進行分析計算。該模塊可自動進行建模、網格劃分和加載、求解計算等一系列的有限元分析過程[4-6]，無需用戶親自操作。結果查看區域可讀取后臺調用的有限元分析的計算結果，最后顯示結果云圖。該模塊可適用于不同井眼軌跡的井。

2.1.3 數據庫管理模塊 數據庫管理模塊主要包括三個子模塊：油井基礎數據管理模塊，修井施工參數管理模塊和標準庫模塊（見圖2）。油井基礎數據管理模塊主要用于記錄油井的基本信息，如油井井眼軌跡的測斜數據，所在油廠信息和井身結構信息等；修井施工參數管理模塊主要用于管理修井案例的信息以及理論分析的案例信息；標準庫模塊主要用于存儲修井常用工具、管柱信息等。

圖2 數據庫管理模塊結構圖

2.1.3.1 油井基礎數據管理模塊 井眼數據管理界面的主要功能是向數據庫中添加井眼數據，通過相應的Excel文件將數據錄入到數據庫當中，可為三維井眼軌跡模塊提供數據支持。

2.1.3.2 修井施工參數管理模塊 通過這個界面可以將修井作業時儀器記錄的實時數據讀取到軟件當中，并存儲到數據庫里。界面的上部區域錄入的是油井的基本信息，界面下部區域顯示的是錄入數據文件中的具體數據。

2.1.3.3 標準庫模塊 標準庫模塊主要提供標準油管和套管，油田常用工具的特征參數以及不同鋼級材料的數據。

3 軟件特點

本軟件具有以下特點：

（1）為了計算的準確性，建立了三維井眼軌跡模型，并且在對井身多點數據進行擬合后可以提供多個方向的二維井身軌跡圖和三維井身軌跡圖，方便技術人員把握井眼軌跡的整體走向。

（2）軟件將不同工具的鉆壓-扭矩曲線集成在有限元算法中，通過有限元分析得出鉆壓，計算相應的扭矩。

（3）大修井管柱力學分析軟件采用C#語言進行編制，具有界面簡潔，邏輯清晰，結構完整，易于操作等特點。

4 現場應用

為了更加準確的模擬修井管柱現場作業時的力學性能，在大港油田X井現場應用進行模擬仿真，分析了該井施工方案的設計并指導現場施工，研究修井管柱在套銑工況下的受力情況。

修井管柱進行套銑時，管柱由轉盤帶動進行旋轉運動，管柱除了受到井壁的約束外，管柱在井口受到一個旋轉位移約束，井底受到鉆壓的作用。

管柱的摩阻基本按照直井段較小，造斜段復雜，穩斜段均布的規律分布，但是由于管柱始終處于旋轉狀態，與套管的接觸與碰撞復雜，摩阻力出現了個別波動較大的數值。

套銑施工過程：2017年1月13日至17日，下Φ114 mm×10 m套銑筒（底帶Ф116 mm套銑鞋），修井液正循環套銑清理油管外環空，套銑4次。修井管柱進行旋轉作業時管柱軸力呈上拉下壓狀態，中和點以下管柱為壓縮狀態，軸力變為負值并逐漸增加到額定鉆壓30 kN。推薦套銑施工參數：加壓10 kN～30 kN，轉速40 r/min～60 r/min，排量≥500 L/min。利用大修井管柱力學軟件完成該井套銑作業，不論是施工前的模擬還是作業過程中實時分析，都使技術人員做到心中有數，有的放矢，減少施工過程中的盲目性和不規范性，提高了大修施工的成功率，加快了大修施工進度，降低了生產成本。

5 結論

（1）采用C#語言編寫大修作業管柱力學分析軟件，通過軟件界面輸入參數，程序自動編寫管柱力學分析命令流程序，后臺調用ANSYS軟件并進行分析計算，該過程便于用戶對軟件的操作。

（2）軟件在建立管柱模型時綜合考慮了管柱受力，如提放管柱的摩擦阻力、旋轉管柱的摩擦阻力、井斜角、方位角等各種因素對管柱力學行為的影響；采用非線性有限元理論來分析管柱的受力及變形，考慮各種因素的綜合影響，能更加真實地模擬管柱在各工況下的受力情況，實現管柱受力全過程的動態模擬。

（3）將豐富的修井經驗和知識庫融匯，并加以提煉，系統化，研發出修井作業軟件，有效地解決了目前修井工作中存在的技術和管理問題，也為油田修井作業提供了可靠的技術依據。